Principios de Funcionamiento de Máquinas Térmicas: Ciclos Carnot y Otto

Ciclo de Carnot: El Límite Teórico del Rendimiento

Carnot, en 1824, estableció el ciclo termodinámico ideal de una máquina térmica, del que se podría obtener el máximo rendimiento teórico.

Este ciclo se conoce con el nombre de Ciclo de Carnot y es un ciclo reversible formado por dos transformaciones isotérmicas y otras dos adiabáticas. Es un ciclo teórico e ideal que no puede realizar ninguna máquina térmica real.

Un ciclo reversible es aquel que puede realizarse en sentido horario y antihorario, y además la inversión se puede realizar en cualquier punto.

Etapas del Ciclo de Carnot

1. Expansión Isotérmica (1-2): El fluido toma un calor Q₁ desde el foco caliente (T_c) y realiza un trabajo, aumentando de volumen. Al no haber variación de temperatura, ΔU = 0 y W = Q₁.

2. Expansión Adiabática (2-3): El fluido realiza trabajo, aumentando de volumen, a expensas de su energía interna y disminuyendo su temperatura desde T_c hasta T_f. Q = 0 y ΔU = -W.

3. Compresión Isotérmica (3-4): El fluido cede un calor Q₂ al foco frío (T_f) y recibe un trabajo, disminuyendo de volumen. Al no haber variación de temperatura, ΔU = 0 y W = Q₂.

4. Compresión Adiabática (4-1): El fluido recibe trabajo, disminuyendo de volumen, por lo que aumenta su energía interna y su temperatura desde T_f hasta T_c. Q = 0 y ΔU = -W.

Ciclo Otto: Fundamento del Motor de Gasolina

El Ciclo Otto es un ciclo cerrado que utiliza una mezcla de aire y gasolina. Para su ignición, requiere la ayuda de una chispa eléctrica producida por el sistema de encendido (bujía).

Este ciclo consta de 4 etapas o tiempos: Admisión, Compresión, Explosión-Expansión y Escape. Es un ciclo formado por dos adiabáticas y dos isócoras.

Etapas del Ciclo Otto

1. Admisión (0-1): El pistón desciende arrastrado por el movimiento del cigüeñal y entra en el cilindro una mezcla de aire y combustible a través de la válvula de admisión.

2. Compresión (1-2): El pistón asciende arrastrado también por el movimiento del cigüeñal y comprime el aire y el combustible, de forma que aumenta la presión y la temperatura de la mezcla.

3. Explosión-Expansión (2-3-4): Al alcanzar la mezcla la máxima compresión, salta la chispa en la bujía, la mezcla explota y el pistón desciende. El movimiento del pistón arrastra el cigüeñal, que realiza el trabajo útil.

4. Escape (4-1-0): Se abre la válvula de escape y el pistón sube y expulsa los gases. La válvula de escape se cierra y la de admisión se abre, quedando el sistema listo para iniciar un nuevo ciclo.